基于導管注漿的現役高速公路不均勻沉降處治技術研究

祝爭艷， 袁青泉

(1.江蘇高速公路工程養護技術有限公司， 江蘇 南京 211106； 2.江蘇京滬高速公路有限公司)

目前，對于在役高速公路軟基路段不均勻沉降，雖然采用過多種處治方法進行養護，但處治方法缺乏針對性，在運營一段時間后仍出現平整度不足、線形較差的問題。結合收集的沿海高速公路歷年不均勻沉降處治資料，路面不均勻沉降目前通常采用的加鋪罩面處治方案，只能在短期內起到恢復路面線形的作用，且成本高、有效期短，因此需研究經濟性好、長效的路面不均勻沉降養護技術。針對該問題，該文提出采用導管注漿方法對高速公路不均勻沉降進行處治，結合有限元模擬對其技術理念、作用機理及關鍵影響因素進行深入分析，并進行試驗段試驗和效果分析，提高軟基路段瀝青路面處治技術水平、改善高速公路瀝青路面不均勻沉降。

1 計算模型及參數

模型選取一長l=20 m的路段進行有限元分析，其橫斷面如圖1所示。其中，路面厚76 cm(瀝青面層18 cm，水穩基層38 cm，底基層20 cm)，路床80 cm，路堤約為120 cm。采用Ansys建立該路面的三維有限元實體模型，各層路面的材料屬性如表1所示。路面沉降主要是由于淤泥層的含水率不一致所導致，因此有限元模型可簡化模擬為彈性模量沿路面斷面縱向逐漸變化，采用隨機函數自動生成彈性模量，其變化范圍為0.5～2.5 MPa。導管是內徑為60 mm的鋼管，從底基層向下延伸，導管的彈性模量取為1.95 GPa，泊松比為0.2。注漿后導管周圍的土體彈性模量會增加，范圍為20 cm。路面左右兩側的縱向和橫向自由度都約束，淤泥層地面約束豎向自由度，如圖2所示。在瀝青路面層施加均布荷載10 kN/m。

圖1 路面示意圖(單位：cm)

表1 路面各層材料屬性

圖2 有限元模型邊界條件和加載方式

2 計算方法

首先假設彈性模量沿路面斷面縱向逐漸變化，采用隨機函數自動生成彈性模量，將搜集到的不同材料參數如密度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角、體積模量、剪切模量、抗拉強度，作為計算的初始條件，然后將其輸入到分析軟件中。注漿模型中在彈性范圍內都由體積模量K和剪切模量G來描述，其與彈性模量E、泊松比之間的關系一般可用以下公式表示：

(1)

(2)

式中：σ為3個主應力的平均值，σ= (σ1+σ2+σ3)/3；θ為體應變。

式(2)表明：體應變與體積模量成反比，體積模量越大，產生的體應變越小。

(3)

τ=Gγ

(4)

式中：τ為剪切應力；γ為剪切應變。

G值越大，表示材料抵抗剪切變形的能力越強。

根據前期對施工區域的地質勘查，原路面結構厚76 cm(18 cm瀝青面層、38 cm水穩基層、20 cm水穩基層/灰土)，以下為80 cm路床、120 cm路堤填土、100 cm左右的黏土層，黏土層以下為淤泥層，制定了導管注漿法的注漿層位示意，如圖3所示，分別討論分析導管長度和注漿前后軟土地基結構內部的響應特征，其中方案1、2、3的導管長度分別為3.5、4.0、5.0 m。模擬分析分為以下兩個工況：

工況1：導管插入，但未注漿，研究導管長度對路面結構內部沉降的影響。

工況2：導管插入后注漿，研究注漿后土體強度對路面結構內部沉降的影響。

圖3 不同導管注漿層位示意

3 軟土地基導管注漿特性分析

3.1 不同導管長度對沉降量的影響

導管注漿技術是一種豎向處治深度3～5 m，水平方向上通過一定數量的注漿導管形成的“板筏”，增強處治路段的整體性，從而控制路表不均勻沉降的加固技術。因此導管長度對處治路段的整體剛度有較大的影響。圖4為導管長度不同時，路面的位移曲線。

圖4 導管長度對路面結構內部位移的影響

從圖4可知：

(1) 相比于原路面，經過長3.5、4.0、5.0 m，直徑均為6 cm的導管注漿處治后，路面結構內部沉降量分別降低了8.1%、11.9%和15.6%，說明增加導管長度可以明顯改善路面沉降狀況，主要因為導管增加了路面的豎向剛度。

(2) 以3.5 m的導管為參考，導管長度增加至4.0、5.0 m時，路面結構內部沉降量分別減少了46.91%、92.59%；當導管長度從4.0 m增加至5.0 m時，路面結構內部沉降量僅減少了31.09%，說明隨著導管長度的增加，路面結構內部沉降會逐漸減小，隨導管長度的增加，減小的幅度有限，因此從經濟性角度考慮，導管不宜過長。

3.2 不同導管長度及土體強度對沉降量的影響

導管注漿后導管上部與基層齊平，下部按設計深度打入路基中，在完成施工后，導管上部與基層固結，下部連接注漿體，形成一體化的增強體。當其注漿量達到一定量級后，處治路段整體剛度得到加強，并形成類似“板筏”的結構，后期路基發生不均勻沉降時，通過假設不同導管長度下的土體強度變化，來分析導管注漿后土基內部結果的響應規律。

(1) 注漿后土體位移響應規律

假定注漿后土體強度分別增加25%、50%和100%，圖5為分別采用3種導管注漿方案時，注漿后土體強度對路面結構內部位移的影響。

從圖5可知：相比于注漿前，對于方案1，注漿后土體強度增加25%、50%、100%時，路面結構內部沉降分別減小了5.19%、11.1%和18.2%；對于方案2，注漿后土體強度增加25%、50%、100%時，路面結構內部沉降分別減小了18.3%、36.2%和45.5%；對于方案3，注漿后土體強度增加25%、50%、100%時，路面結構內部位移分別減小了21.6%、41.8%和56.5%。以上結果說明注漿可以明顯地改善路面結構內部不均勻沉降情況，這是因為注漿后，土體的整體剛度增加，增強了路面結構的豎向剛度，從而更利于改善路面的不均勻沉降。

(2) 導管適宜長度分析

假設注漿后土體強度均增加50%時，3種導管長度方案，經注漿后的路面結構內部沉降見圖6。

圖5 不同導管長度下注漿后不同土體強度等級對路面結構內部位移的影響

圖6 注漿后路面結構內部位移

從圖6可知：與原路面相比，經長3.5、4.0、5.0 m共3種導管注漿后的路面結構內部沉降分別減小了26.6%、43.8%、58.2%，說明導管越長，路面結構內部沉降控制效果越好；長4.0 m和5.0 m導管下沉降量，相比長3.5 m導管，路面結構內部沉降控制效果分別提高了64.66%、118.80%，而長5.0 m導管僅比長4.0 m導管沉降控制效果提高了32.88%，說明隨著導管長度的增加，路面結構內部沉降控制效果提升并不顯著，這主要是因為3.5 m長導管，注漿深度并未貫穿黏土層，而4.0 m和5.0 m長導管注漿深度貫穿黏土層，漿液能與黏土層有效混合，提高了黏土層強度，注漿后，黏土層的剛度比淤泥層剛度要大很多，提高了路基結構的整體性，減少了軟土地基形變對上部結構的影響。根據以上分析可知，增加導管長度和在黏土層內進行注漿都可以有效減小路面結構內部位移。

4 試驗段取芯驗證及跟蹤觀測分析

結合中國沿海某高速公路不均勻處治工程，選取了年累計沉降量大于6.6 mm的段落進行導管注漿處治設計，處治用導管直徑均為6 cm，長度分別為3.5、4.0、4.5、5.0 m共4種，處治半幅車道，注漿孔呈梅花形布置，間距2 m，如圖7所示，試驗段長度198 m。

圖7 導管處治布孔示意圖(單位：m)

4.1 試驗段土體取芯檢測

根據現場處治情況，選取了具有代表性的注漿孔位進行鉆芯取樣，結果見表2，分別在距注漿孔10、50、100 cm的位置鉆芯取樣，以觀測注漿材料在出漿層位的分布情況。

通過對現場取芯樣品的外觀檢測，可以得出如下結論：注漿材料主要分布于黏土層到淤泥層的過渡段中，并在該過渡段中的分布范圍較大，在注漿孔50 cm范圍內；外觀上對比不同距離注漿孔的芯樣，在距離注漿孔越近的軟土，其上下土層含水率明顯低于其外土層的含水率；注漿材料在土基中有效與軟土進行混合，提高了軟土地基的強度。

表2 取芯孔分布特征

結合取芯結果，選取黏土層和淤泥層交界處的土樣進行無側限抗壓強度檢測(圖8)。由圖8可知：距離注漿孔越近，土體無側限抗壓強度越強，并隨距離的增加逐漸減??；在距離注漿孔100 cm處土的無側限抗壓強度與未注漿段相近。

4.2 試驗段路表沉降觀測

項目在試驗段內布置了自動化觀測系統，監測點平均間距20 m，監測范圍為注漿處治路段及其臨近未處治路段(作為和導管注漿段沉降的對比)，監測點布置及跟蹤觀測結果見表3和圖9。

圖8 導管注漿周圍芯樣強度試驗結果

表3 導管分布與各監測點沉降情況

圖10 各監測點年累積沉降量

結合表3和圖9可知：相比未處治段落，經導管注漿處治后，路面沉降得到了有效控制；注漿導管長度的增加可有效控制路表沉降量，但不宜過長，當前工程導管適宜長度4.5 m與數值模擬結果吻合。

5 結論

通過有限元軟件模擬分析了軟土地基經過導管注漿處治后軟土地基結構內部位移響應的規律，并結合實際工程進行了實施驗證，結果表明：

(1) 增加導管長度可以明顯改善路面沉降，因為導管增加了路面的豎向剛度；隨著導管長度的增加，路面結構內部位移逐漸減小，但減小的幅度有限，因此從經濟性角度考慮，導管不宜過長。

(2) 相比于原路面，在增加了不同長度的導管后，路面結構內部位移分別降低了8.1%、11.9%和15.6%；在土體強度增加相同的情況下，3種注漿方案的路面結構內部位移分別減小了26.6%、43.8%和58.2%。

(3) 當注漿深度位于黏土層以下時，漿液能與黏土層有效混合，提高了黏土層強度，說明增加導管長度和在黏土層內進行注漿都可以有效減小路面結構的內部位移，提高路基整體強度。

(4) 注漿材料主要分布于黏土層到淤泥層過渡段中，并在該過渡段中的分布范圍較大，在注漿孔50 cm范圍內；距離注漿孔越近，土體無側限抗壓強度越強，并隨距離的增加逐漸減??；在距離注漿孔100 cm處土的無側限抗壓強度與未注漿段落相近。

(5) 相比未處治段落，經導管注漿處治后，路面沉降得到了有效控制，注漿導管長度的增加可有效控制路表沉降量，但不宜過長，適宜長度為4.5 m，這與數值模擬的結果相吻合。